Erste Makroorganismen ernährten sich per Osmose

Die ersten komplexen Mehrzeller lebten vor mehr als 540 Millionen Jahren – wie sie sich damals jedoch ernährten, war bisher absolut rätselhaft. Amerikanische Forscher haben nun eine überraschende Lösung gefunden: Die immerhin mehrere Zentimeter großen Organismen nutzen wahrscheinlich Osmose. Wie sie in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) berichten, könnten das extrem nährstoffreiche Wasser und eine große Oberfläche diese Ernährungsstrategie ermöglicht haben.

Vor 635 bis 541 Millionen Jahren, in der Periode des Ediacariums, entstanden die ersten komplexeren Mehrzeller auf der Erde. Da es kaum Relikte aus dieser Ära gibt, sind Aussehen und vor allem Lebensweise dieser mehrere Zentimeter großen Lebewesen noch immer rätselhaft. Nur von einigen Arten ist die Körperform bekannt. Eine der großen Fragen ist, wie sich die Organismen ernährten. Die Theorien reichen von Photosynthese über Symbiose bis hin zu einer parasitischen Lebensweise.

„Einige Hypothesen lassen sich allerdings direkt wieder ausschließen, weil den Organismen Strukturen wie Münder oder Tentakel fehlten und weil sie vorwiegend im tiefen Ozean lebten, wo es kein Sonnenlicht für Photosynthese gab“, erklärt Shuhai Xiao vom Polytechnischen Institut der Virginia State Universität (Virginia Tech). Aber welche Hypothese trifft zu?

Farnähnliche Lappen und „Luftmatratze“

Um das herauszufinden untersuchten Xiao und seine Kollegen Marc Laflamme und Michal Kowalewski zwei Gruppen von Ediacarium-Lebewesen, die Rangeomorphen und die Erniettomorphen. Während die Körper der Rangeomorphen farnähnlich gelappt sind, gleichen die Erniettomorphen eher einer halb aufgeblasenen Luftmatratze. Die Hypothese der Forscher: Möglicherweise erleichterte diese Körperform eine ganz andere als die bisher diskutierten Ernährungsweisen: die Osmose.

Osmose als Ernährungsstrategie?

Osmose beruht auf dem naturgegebenen Bestreben von Molekülen in Lösung nach einem Konzentrationsausgleich. Im Falle der Ediacara-Fauna würde dies bedeuten: Nährstoffe aus dem umgebenden Wasser strömen über die Haut in den Körper, weil ihre Konzentration im Wasser höher ist als im Körper der Lebewesen.

Die Sache hat jedoch gleich zwei Haken: Zum einen muss die Körperoberfläche im Verhältnis zu Körpervolumen groß genug sein, um ausreichend Austauschfläche zu bieten. Zum anderen aber muss die Umgebung tatsächlich eine relativ hohe Konzentration an Nährstoffen aufweisen. Heute schaffen es meist nur mikroskopisch kleine Bakterien, sich effizient mit Hilfe der Osmose zu ernähren. Es gibt allerdings auch einige Tiere wie Schwämme oder Korallen, die die Osmose zumindest als ergänzende Nahrungsquelle nutzen.

Oberfläche groß genug

Wie aber sah es mit den Ediacarium-Organismen aus? Die Wissenschaftler untersuchten zunächst anhand von Simulationen, ob und wie die frühen Mehrzeller durch anatomische Anpassungen ihre Körperoberfläche soweit vergrößert haben konnten, dass sie ähnliche Oberfläche-Volumen-Verhältnisse erreichten wie heutige Osmose nutzende Bakterien. Das Modell ergab, dass die verzweigte, lappige Struktur der Rangeomorphen bereits optimal für eine Oberflächenvergrößerung sorgt – mit jedem Zweig erhöht sie sich.

Bei den mattenähnlichen Erniettomorphen dagegen könnte eine Vergrößerung durch Anbau von weiteren Kammern der „Luftmatratze“ erreicht worden sein. Denn vor allem die Existenz von internen, flüssigkeitsgefüllten Hohlräumen, den Vakuolen, verschoben das Verhältnis stark zugunsten einer effektiven Osmose. „Unsere Modelle deuten darauf hin, dass interne Vakuolen ein besonders effektiver Weg sind um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei komplexen, makroskopischen Organismen zu verbessern“, erklärt Kowalewski.

Tiefenwasser nährstoffreich

Aber wie sah es damals mit dem zweiten Punkt aus, dem Nährstoffreichtum der Ozeane? Nach Ansicht der Wissenschaftler bot das Ediacarium in dieser Hinsicht sogar optimale Bedingungen, da es damals einen weitaus größeren Pool an gelöster organischer Materie vor allem in den tieferen Wasserschichten gab als heute. Ursache dafür war die weitestgehende Abwesenheit von Tieren mit echten Därmen, die ihren Kot in Form kompakter Pellets hätten absetzen können. Stattdessen gaben die Organismen ihren Kot unkomprimiert ab und trugen so dazu bei, dass sich dieser schnell löste und zersetzt wurde. Die Produkte dieses Abbaus bleiben lange im Wasser erhalten und bildeten damit die Nahrungsgrundlage für Rangeo- und Erniettomorphe.

„Wir glauben, dass die Ediacarium-Lebewesen sich von gelöstem organischem Kohlenstoff ernährten. Er repräsentiert das organische Material von Pflanzen, Pilzen und Tieren, das sich während des natürlichen Abbaus in Fette und Proteine zersetzt hat“, so der Forscher. „Diese Verbindungen wurden dann mittels Osmose durch die Haut der Ediacarium-Lebewesen absorbiert, darauf deuten die Oberflächen-Volumen-Verhältnisse hin.“

Riesenmikrobe von heute als moderne Entsprechung

Die Wissenschaftler vergleichen die Lebensweise der Ediacara-Fauna mit der des heute noch lebenden Riesen-Schwefelbakteriums Thiomargarita. Vor einigen Jahren vor der Küste Namibias entdeckt, ernährt sich diese Mikrobe ebenfalls per Osmose und profitiert dabei von dem extremen Nährstoffreichtum des dort aufsteigenden Tiefenwassers.

„Solche nährstoffreichen Regionen könnten moderne Analogien zu der Tiefsee des Ediacariums sein“, erklärt Xiao. „Das deutet daraufhin, dass es mehr als nur Zufall ist, dass die frühesten Ediacarium-Lebewesen in den tiefen Wasserschichten vorkamen, die besonders reich an gelöstem organischem Kohlenstoff waren.“

(Virginia Tech, 21.08.2009 – NPO)